Połączenie żebrowanych i gwintowanych prętów zbrojeniowych montowanych po wykonaniu w betonie z uwzględnieniem długości zakotwienia i rodzaju żywicy

Naprawa zużytego betonu bez rozbiórki

Na całym świecie wiele mostów, budynków i parkingów starzeje się szybciej, niż jesteśmy w stanie je wymienić. Całkowita rozbiórka i odbudowa takich obiektów jest kosztowna i uciążliwa, dlatego inżynierowie szukają sposobów wzmocnienia tego, co już istnieje. Badanie to dotyczy jednej z takich metod naprawczych: wiercenia otworów w stwardniałym betonie, osadzania nowych stalowych prętów za pomocą wytrzymałej żywicy epoksydowej i wykorzystania tych „prętów montowanych po wykonaniu” do przywrócenia sprawności starego betonu.

Jak stal i klej współdziałają w betonie

Beton zbrojony działa, ponieważ stalowe pręty ukryte w betonie zakotwiają się w otaczającym materiale i przenoszą obciążenia. Tradycyjnie pręty są umieszczane w deskowaniu, a następnie wylewany jest beton. W pracach naprawczych beton jest już jednak stwardniały, więc trzeba wiercić otwory, wstrzykiwać chemiczną żywicę i wprowadzać nowe pręty jako kotwy. Bezpieczeństwo wzmocnionej konstrukcji zależy od tego, jak mocno te dodatkowe pręty są „sklejone” z betonem i żywicą oraz jak dużo poślizgu występuje pod obciążeniem. Badacze postanowili zmierzyć to połączenie w kontrolowanych warunkach oraz sprawdzić, jak kształt pręta, średnica otworu i rodzaj żywicy wpływają na zachowanie.

Badanie wyciągania w laboratorium

Aby odzwierciedlić rzeczywiste sytuacje naprawcze, zespół wykonał dwadzieścia jeden betonowych kostek, każda o wymiarach zbliżonych do małej płyty chodnikowej. W trzech z nich pręty żebrowane osadzono tradycyjnie podczas betonowania, by służyły jako próbki referencyjne. W pozostałych osiemnastu pręty dodano później: wywiercono pionowe otwory, oczyszczono je, wypełniono jedną z dwóch komercyjnych żywic epoksydowych, a następnie wprowadzono pręty żebrowane lub całkowicie gwintowane na określoną głębokość. Badacze zmieniali trzy kluczowe czynniki: długość pręta w kontakcie z żywicą, średnicę wywierconego otworu w stosunku do pręta oraz to, czy powierzchnia pręta była żebrowana (z nieciągłymi żłobieniami) czy gwintowana (z ciągłą spiralą). Każdą próbkę mocowano w hydraulicznej prasie i powoli wyciągano pręt, rejestrując siłę i poślizg za pomocą przyrządów.

Co decyduje o mocnej, bezpiecznej kotwie

Testy wykazały, że w niemal wszystkich przypadkach uszkodzenie następowało przez osiągnięcie przez stal naprężenia plastycznego w klasycznym scenariuszu wyciągania, a nie przez rozłupanie betonu. Oznacza to, że złącze z żywicy i otaczający beton były na ogół mocniejsze niż sam pręt, co jest pożądanym rezultatem projektowym. Pręty montowane z żywicą w otworach umiarkowanie większych od pręta (około 60–80 procent większa średnica) osiągały nośności porównywalne lub nieco wyższe niż pręty wykonane na etapie betonowania. Bardzo ciasne otwory, tylko około 20 procent większe, obniżały wytrzymałość. Dłuższe długości zakotwienia pozwalały prętowi przenosić większe obciążenie całkowite, ale rozkładały je na większej długości, co obniżało średnie naprężenie przyczepności wzdłuż pręta. Porównując kształty prętów, konwencjonalne pręty żebrowane konsekwentnie rozwijały wyższą wytrzymałość połączenia niż pręty gwintowane, głównie dlatego, że ich chropowate żebra zapewniały lepszy mechaniczny uchwyt w żywicy i betonie.

Jak sztywność i podatność współgrają

Ponad samą wytrzymałość maksymalną, badanie przeanalizowało również, jak sztywne lub elastyczne jest połączenie w momencie, gdy pręt zaczyna się przesuwać. Kotwy klejone epoksydowo były na ogół sztywniejsze niż pręty osadzone podczas betonowania na początku obciążenia, co oznacza, że silniej przeciwstawiały się początkowemu poślizgowi. Jednak dla wielu konfiguracji, zwłaszcza przy dłuższych długościach zakotwienia, pręty montowane po wykonaniu wykazywały większą „ciągliwość”: mogły się znacznie przesunąć po osiągnięciu plastyczności bez gwałtownej utraty nośności. Oba rodzaje żywic zachowywały się podobnie pod względem wytrzymałości, choć jedna miała tendencję do wytwarzania nieco sztywniejszych, mniej podatnych połączeń, a druga dopuszczała więcej poślizgu przed zniszczeniem. Pręty gwintowane, choć słabsze w szczytowej przyczepności, często wykazywały większe poślizgi przy dużym obciążeniu, co wskazuje na bardziej stopniowy i „wybaczający” przebieg uszkodzenia.

Przekształcanie danych z badań w praktyczne zasady projektowe

Wykorzystując pełny zestaw pomiarów, autorzy opracowali prostą formułę przewidującą maksymalne naprężenie przyczepności dla prętów montowanych po wykonaniu, opartą na wytrzymałości betonu, średnicy pręta, długości zakotwienia, rozmiarze otworu i geometrii żebrowania pręta. Ta formuła, zweryfikowana na tle wszystkich wyników badań, dała bezpieczne i stosunkowo dokładne oszacowania. Dla inżynierów oznacza to, że dodawanie prętów stalowych z użyciem nowoczesnych żywic można projektować z pewnością, o ile właściwie dobierze się średnice otworów, długości zakotwień i rodzaje prętów. Dla opinii publicznej wniosek jest taki, że staranna praca laboratoryjna tego typu stoi za wieloma „niewidocznymi” naprawami, pozwalając wzmocnić starzejące się konstrukcje betonowe i utrzymać je w eksploatacji dłużej bez kosztów i zakłóceń związanych z całkowitą wymianą.

Cytowanie: Fayed, S., Alkharisi, M.K., Bayoumi, ES.A. et al. Bond of ribbed and threaded steel reinforcement bars post-installed in concrete considering bonded length and adhesive type. Sci Rep 16, 10762 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42964-4

Słowa kluczowe: kotwy montowane po wykonaniu, pręt zbrojeniowy klejony epoksydowo, naprawa betonu zbrojonego, wytrzymałość połączenia, wzmacnianie konstrukcji